Tout comme un verre à vin déforme une image montrant les fluctuations de température dans le fond cosmique hyperfréquence de cette illustration, des objets volumineux tels que des amas de galaxies et des galaxies peuvent également déformer cette lumière pour produire des effets de lentille. (Crédit: Emmanuel Schaan et Simone Ferraro / Berkeley Lab)

Cartographie de la matière noire et de l'énergie noire avec un filtre cosmique

Le fond cosmique des micro-ondes - la lumière laissée juste après le big bang - pourrait être utilisé pour cartographier la structure de l'univers, révélant ainsi les secrets de la matière noire et de l'énergie noire.

La structure de la plus ancienne lumière connue de notre univers - le fond cosmique à micro-ondes (CMB) - contient de nombreux indices importants pour le développement et la distribution de structures à grande échelle telles que les galaxies et les amas de galaxies.

Des distorsions dans le CMB - émises 380 000 ans après le big bang - provoquées par un phénomène appelé lentille, peuvent révéler la structure fine de l'univers. Cela signifie également qu'il peut potentiellement nous dire des choses sur l'univers mystérieux et invisible: l'énergie noire, qui représente environ 68% de l'univers et explique son expansion accélérée, et la matière noire, qui représente environ 27% du spectre. univers.

L'univers au fond d'une piscine

Imaginez l’Univers sous forme de grille imprimée au fond d’une piscine. Les effets gravitationnels de la matière et de l’énergie s’ajoutent à peu près à la façon dont l’eau remplit la piscine. Nous voyons le fond à travers l’eau étirée et comprimée par les perturbations de la surface.

Les effets gravitationnels des objets volumineux tels que les galaxies et les amas de galaxies courbent la lumière du CMB de différentes manières. Ces effets de lentille peuvent être subtils - lentilles faibles - pour les galaxies lointaines et petites, et les programmes informatiques peuvent les identifier car ils perturbent la structure régulière du CMB.

R.Lambourne (2012)

Il existe cependant des problèmes connus avec la précision des mesures de lentille, en particulier avec les mesures du CMB basées sur la température et les effets de lentille associés.

La lentille peut être un outil puissant pour l’étude de l’univers invisible, et pourrait même potentiellement nous aider à démêler les propriétés des particules subatomiques fantomatiques comme les neutrinos, mais l’univers est un lieu intrinsèquement désordonné.

Le gaz et la poussière qui tourbillonnent dans d'autres galaxies, entre autres facteurs, peuvent obscurcir notre vision et conduire à des lectures erronées des lentilles CMB.

Ensemble d’images d’arrière-plan à micro-ondes cosmiques sans effet de lentille (rangée du haut) et effets de lentille exagérés à fond de micro-ondes cosmiques (rangée du bas). (Wayne Hu et Takemi Okamoto / Université de Chicago)

Bien que certains outils de filtrage aident les chercheurs à limiter ou à masquer certains de ces effets, ces obstacles connus restent un problème majeur dans les nombreuses études reposant sur des mesures basées sur la température.

Selon Emmanuel Schaan, chercheur postdoctoral et chercheur postdoctoral Owen Chamberlain de la division de physique du Laboratoire national Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) du Département de l’énergie, les effets de cette interférence avec les études CMB basées sur la température peuvent conduire à des mesures de lentille erronées.

Il dit: «Vous pouvez avoir tort et ne pas le savoir. Les méthodes existantes ne fonctionnent pas parfaitement - elles sont vraiment limitantes. "

Pour résoudre ce problème, Schaan a fait équipe avec Simone Ferraro, membre de la Division de physique de Berkeley Lab, afin de développer un moyen d’améliorer la clarté et la précision des mesures de lentilles CMB en tenant compte de différents types d’effets de lentille.

Schaan ajoute: «Les lentilles peuvent magnifier ou démagnifier les choses. Cela les distord également le long d'un certain axe pour les étirer dans une direction. "

Les chercheurs comparent cela à regarder la surface d'une table à travers la tige d'un verre à vin.

Ce que l’équipe a découvert, c’est qu’une certaine signature de lentille - le cisaillement - qui provoque cet étirement dans une direction, semble en grande partie immunisée contre les effets de "bruit" de premier plan qui interfèrent par ailleurs avec les données de lentille du CMB.

Ces images montrent différents types d'émissions pouvant interférer avec les mesures de lentilles CMB, telles que simulées par Neelima Sehgal et ses collaborateurs. De gauche à droite: le fond infrarouge cosmique, composé de poussière intergalactique; sources ponctuelles radio ou émission radio d'autres galaxies; l’effet cinématique Sunyaev-Zel’dovich, produit du gaz dans d’autres galaxies; et l’effet thermique Sunyaev-Zel’dovich, qui concerne également le gaz dans d’autres galaxies. (Emmanuel Schaan et Simone Ferraro / Berkeley Lab)

L'effet de lentille connu sous le nom d'agrandissement, quant à lui, est sujet aux erreurs introduites par le bruit de premier plan. Leur étude, publiée dans la revue Physical Review Letters, note une «réduction spectaculaire» de cette marge d'erreur lorsque l'on se concentre uniquement sur les effets de cisaillement.

Les sources de la lentille, qui sont de grands objets qui nous séparent de la lumière CMB, sont généralement des groupes de galaxies et des grappes qui ont un profil approximativement sphérique sur les cartes de température, note Ferraro, et la dernière étude a montré que l'émission de la lumière provenant de ces objets «au premier plan» semble uniquement imiter les effets de grossissement dans l'objectif, mais pas les effets de cisaillement.

Ferrano a déclaré: «Nous avons dit: ne dépendons que du cisaillement et nous serons immunisés contre les effets de premier plan».

«Lorsque vous avez beaucoup de ces galaxies qui sont principalement sphériques et que vous les calculez en moyenne, elles ne contaminent que la partie grossissement de la mesure. Pour le cisaillement, toutes les erreurs ont pratiquement disparu.

Il poursuit: «Cela réduit le bruit et nous permet d’obtenir de meilleures cartes. Et nous sommes plus certains que ces cartes sont correctes. Même lorsque les mesures impliquent des galaxies très éloignées en tant qu'objets formant un objectif de premier plan.

Avantages pour une gamme d'expériences

L'étude note que la nouvelle méthode pourrait être utile à toute une gamme d'expériences de ciel, y compris les expériences POLARBEAR-2 et Simons Array, auxquelles participent Berkeley Lab et l'UC Berkeley; le projet Advanced Atacama Cosmology Telescope (AdvACT); et le télescope du pôle Sud - caméra 3G (SPT-3G). Cela pourrait également aider l'observatoire Simons et la nouvelle expérience proposée de CMB à localisations multiples, baptisée CMB-S4 - les scientifiques de Berkeley Lab participent à la planification de ces deux efforts.

La méthode pourrait également améliorer les données recueillies lors de futurs levés galactiques tels que le projet Instrument de spectroscopie à énergie noire (DESI) dirigé par le laboratoire de Berkeley - en cours de construction près de Tucson (Arizona), et le projet de télescope de levé synoptique (LSST) en construction au Chili, grâce à des analyses conjointes des données de ces relevés aériens et des données de lentilles du CMB.

Des ensembles de données de plus en plus volumineux issus d'expériences d'astrophysique ont conduit à une plus grande coordination dans la comparaison des données entre expériences afin de fournir des résultats plus significatifs. Comme le souligne Ferrano: «Ces jours-ci, les synergies entre les levés CMB et les levés de galaxies représentent un gros problème.»

Le premier centre mondial de superinformatique en science ouverte permet aux chercheurs de simuler des ordinateurs quantiques (Berkeley)

Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé des données CMB à ciel ouvert simulées - en utilisant les ressources du Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique (NERSC) de Berkeley Lab pour tester leur méthode sur chacune des quatre sources de bruit de fond différentes. Cela inclut les effets infrarouges, radiofréquences, thermiques et d’interaction électronique qui peuvent contaminer les mesures de lentilles de CMB.

L'étude note que le bruit de fond infrarouge cosmique, ainsi que le bruit provenant de l'interaction des photons CMB avec des électrons de haute énergie, ont été les sources les plus problématiques à traiter à l'aide d'outils de filtrage standard dans les mesures de CMB. Certaines expériences CMB existantes et futures cherchent à atténuer ces effets en effectuant des mesures précises de la polarisation, ou orientation, de la signature lumineuse du CMB plutôt que de sa température.

Schaan ajoute: "Nous n'aurions pas pu réaliser ce projet sans un cluster informatique comme NERSC."

NERSC s'est également avéré utile pour servir d'autres simulations d'univers afin de préparer les expériences à venir, telles que DESI.

La méthode développée par Schaan et Ferraro est déjà utilisée dans l’analyse des données d’expériences actuelles. Une application possible est de développer des visualisations plus détaillées des filaments et des nœuds de matière noire qui semblent connecter la matière dans l’univers via un réseau cosmique complexe et en évolution.

Les chercheurs ont signalé une réception positive de leur nouvelle méthode.

Ferrano conclut: «C’était un problème épineux auquel de nombreuses personnes avaient pensé.

"Nous sommes heureux de trouver des solutions élégantes."

Recherche originale: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.181301